Primena mikrokontrolera MS1PMKEXTI, Timers, PWM

2017/2018Nenad Jovičić

Marija Janković

EXTIExtended Interrupt and Events Controller

• Mogućnost generisanja do 40 interrupt/events zahteva

• 26 konfigurabilnih linija (od čega 16 za GPIO)

• 14 direktnih linija

• Nezavisni registar maske za interrupt/event za svaku liniju

• Zasebni status bit

• Mogućnost softverskog emuliranja interrupt/event-a

Konfigurabilne linije

• Koriste ih spoljašnji prekidi dovedeni na GPIO kao i par periferija

• Da bi se podesio prekid potrebno je:– Odabrati na koju ivicu se prekid generiše (uzlaznu,

silaznu ili obe)

– U registru maske obezbediti da prekid na toj liniji nije maskiran

• Kada dođe do željene ivice generiše se prekidni zahtev.

• Zahtev se beleži u odgovarajućem bitu pending registra i čeka brisanje od strane korisnika nakon izvršenja prekidne rutine.

Konfigurabilne linije

• Na konfigurabilnim linijama je moguće aktivirati softverski interrupt/event

– Podešavanjem da prekid ili događaj nisu maskirani

– Upisom u odgovarajući software interrupt registar emulira se zahtev za prekidom ili događajem.

Direktne linije

• Koriste ih određene periferije uglavnom za generisanje zahteva za izlazak iz Stop moda ili nekog prekida.

• Prekid je automatski dozvoljen za direktne linije pa nije potrebno upisivati ništa u registre

• Ne postoji pending bit za direktne linije.

• Ukoliko sistem nije u STOP modu rada zahtev za prekid ili događaj preko direktnih linija neće biti prosleđen

• EXTI periferija je povezana na APB2 da bi se skratilo vreme reagovanja (APB2 je u opštem slučaju brža od APB1 magistrale)

EXTI prekidi

External interrupt configuration register 1 (2,3,4) (SYSCFG_EXTICR1 (2,3,4))

Na EXTIx ide uvek pinx

Ostale EXTI konekcije

Interrupt mask register (EXTI_IMR)

Wakeup event mask register (EXTI_EMR)

Rising trigger selection register (EXTI_RTSR)

Falling trigger selection register (EXTI_FTSR)

STM CUBEProjekat GPIO_EXTI

• …\STM32Cube_FW_L4_V1.4.0\Projects\STM32L476RG-Nucleo\Examples\GPIO\GPIO_EXTI\MDK-ARM

• Obezbediti izmenu stanja diode pritiskom na USER_BUTTON

STM CUBEProjekat GPIO_EXTI

Low level inicijalizacija

InicijalizacijaEXTI prekida

HAL_GPIO_Init()

Reakcija naprekid!

Korisničke funkcije

Drajverske funkcije – korisnik ne menja

Reakcija naprekid!

Korisničke funkcije

Drajverske funkcije – korisnik ne menja

Principi HAL drajvera kada su u pitanju prekidi su sledeći:1. Uvek postoji default handler u startup fajlu

2. Korisnik sam piše svoju prekidnu funkciju i u njoj poziva HAL_PPP_IRQHandler() funkciju u kojoj se “servisira” prekid

3. Ta funkcija dalje poziva HAL_PPP_Callback() funkciju koja ustvari “reaguje” na prekid

4. Korisnik sam implementira tu Callback funkciju.

ZADATAK

• Napisati program koji obezbeđuje promenustanja diode LED2 na prekidna pinu PA_8.

• Problem 1 – PA_8 je floating

• Rešenje – aktivirati pull-up• Problem 2 – PA_8 ima drugi

prekidni vektor• Rešenje – Identifikovati koji

je to drugi prekidni vektor ina osnovu toga izvršiti adekvatna prilagođenja.

Prekidi digitalnih portova

• Klasa InterruptIn

implementira na jednostavan način odavno prisutnu funkcionalnost digitalnih ulaza mikrokontrolera

ZADATAK – sada u mbed-u

• Napisati program koji obezbeđuje promenustanja diode LED2 naprekid na pinu PA_8.

• Problem 1 – PA_8 je floating

• Rešenje – aktivirati pull-up

STM32Fxx - Tajmeri

• STM32 ahitektura poseduje nekoliko vrsta tajmera:– Tajmeri opšte namene koji se koriste za generisanje običnih PWM signala

(output compare), pojedinačnih impulsa (one-pulse), hvatanje ulaznih signala (input capture), specifični senzorski iterfejsi (enkoder, hall-effect senzor)

– Napredni tajmeri (advanced timers) koji osim opštih funkcija imaju neke prednosti za generisanje signala koji se koriste u motornim pogonima ili digitalnom upravljanju pretvaračima. Primer: komlementarni izlazi sa regulisanjem mrtvog vremena, automatsko isključivanje svih kanala i slično.

– N-kanalni tajmeri (N-channel timer), koji imaju karakteristike tajmera opšte namene ali imaju ograničen broj kanala.

– N-kanalni tajmeri tajmeri sa komplementarnim izlazima, i sa regulacijom mrtvog vremena samo na jednom kanalu.

– Osnovni tajmer (basic timer), koji nema izlaze i ulaze već se koristi za generisanje vremenske baze, ili periodično trigerovanje DAC periferije.

Tajmeri – pregled po STM32 familiji

STM32L476 tajmeri

• General-purpose timer cookbook

Tajmeri opšte namene TIMx (x=2,3,4,5)

• 16-bitni (TIM3 i TIM4) ili 32-bitni brojač (TIM2 i TIM5) na gore, dole ili gore/dole.

• 16-bitni preskaler za ulazni takt

• Do 4 nezavisna kanala koji mogu da rade u izlaznom (output compare), ulaznom (input capture), PWM ili pojedinačnom impulsnom modu.

• Mogućnost sinhronizacije sa ostalim tajmerima.

• Prekid/DMA zahtev za sledeće događaje:

– Input capture

– Output compare

– Reload tajmera, inicijalizacija (softverska ili spoljašnja)

• Podržavaju kvadraturne inkrementalne enkodere i hall-effect senzore.

Tajmer opšte namene

Opšta šema tajmera

Vremenska baza

Vremenska baza

Deo tajmera koji generiše vremensku bazu čine:-Tajmerski brojač TIMx_CNT-Preskaler takta TIMx_PSC-Reload registar TIMx_ARR

Svi registri su duplo baferovanitako da mogu da se očitavaju i menjaju i u toku rada tajmera. Izmene PSC i ARR registra se dešavaju na svaki Update EventUEV

Brojač na gore – UP counting

Ako je ARPE (auto-reloadpreload enable) bit u TIMxCR1 kontrolnom registru resetovan(ARPE=0) automatski se ažurira moduo brojanja

Brojač na gore – UP counting

Ako je ARPE (auto-reloadpreload enable) bit u TIMxCR1 kontrolnom registru setovan(ARPE=1) moduo se ažurira tek nakon jednog završenog ciklusa.

Downcounting mode

Brojač gore-dole(Center-aligned / Up-down counting mode)

Taktovanje - Internal mode

Tajmer je taktovaninternim taktom

External mode 1

Tajmer broji spoljašnje rastuće i/ili opadajuće ivice na kanalima 1 ili 2

External mode 2

Tajmer broji spoljašnje rastuće ili opadajućepreskalirane ivice na ETR ulazu.Postoji ulazni preskaler.

Kaskadna veza tajmera

Interni triger ulazi ITRx koji se koriste kada se kaskadiraju različiti tajmeri. Na primer, TIM3 može da radi kao preskaler za TIM2.Jedan tajmer, konfigurisan u mastermodu može da resetuje, zaustavi, startuje ili taktuje drugi tajmer, koji je konfigurisan u slave modu.

STM CUBE Projekat TIM_TimeBase

Ako koristimo periferije potrebno je to da označimo u .conf fajlu

Šta to piše u drajverskim fajlovima?

Inicijalizacija vremenske baze tajmera

MspInit()

• MSP – MCU Support Package

• Dovodimo takt tajmeru (ovakav ili onakav)

• Konfigurišemo prekide

• Dozvoljavamo prekide

Startujmo tajmer

Imamo i prekid....

Generalna Inicijalizacija hardvera

Generalna Inicijalizacija hardvera

Principi HAL drajvera kada su u pitanjukompleksne periferije:

1. Periferiju je najpre potrebno inicijalizovati2. Inicijalizacija periferije se obavlja u drajveru ali se kao sporedni

efekat poziva funkcija HAL_PPP_MspInit() koja inicijalizuje low-level hardverske resurse.

3. Ponekad je potrebno inicijalizovati i neke posebne delove periferije posebnim funkcijama ali to zavisi od aplikacije.

4. Periferije tipično kreću sa željenim radom tek pošto se pokrenu funkcijom HAL_PPP_start()

5. Ukoliko periferija generiše prekide korisnik sam piše svoju prekidnu funkciju i u njoj poziva HAL_PPP_IRQHandler() funkciju u kojoj se “servisira” prekid.

6. Ta funkcija dalje poziva HAL_PPP_Callback() funkciju koja ustvari “reaguje” na prekid

7. Korisnik sam implementira tu Callback funkciju.

Zadatak

• Najpre pitanje: Koji tajmer je aktivan?

• Zadatak 1: promeniti podešavanja tako da sve ovo radi tajmer 4.

• Zadatak 2: Proširiti projekat tako da rade oba tajmera istovremeno, ali sa neki različitim podešavanjima.

• Problem: MspInit() funkciju će pozvati drajver prilikom inicijalizacije svakog tajmera. Kako da znam za potrebe čije inicijalizacije se poziva MspInit()?

Zato se uvek prosleđuju i pokazivači na objekte koji se inicijalizuju....

• Hint:https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/STM32Java/Attachments/1249/tim.c

Predviđen pokazivač na strukturu se nigde ne koristi???

Opšta šema tajmera

Kanali tajmera

Capture/compare jedinicainput capture deo

• Svaki capture događaj može da generiše prekid ili DMA zahtev.

Capture/compare jedinicacentralni deo

Capture/compare jedinicaoutput compare deo

PWM input capture

Posebna input capturekonfiguracija u kojoj se kombinuju dva kanala tako da može da se meri perioda i duty-cycle pwm signala na ulazu.

Output compare mod

Nema generisanja PWM signala, ali može da se menja stanje OCx pina. Koristi se uglavnom

za generisanje periodičnih prekida.

Output compare mode, toggle on OC1

OCx MODE – šta generišemo na izlazu na osnovu OCxREF signala

Edge-aligned PWM

• U ovom modu brojač može da radi ili u UP ili u DOWN modu.• U primeru je podešeno da signal OCxREF bude aktivan dok god je TIMx_CNT

< TIMx_CCRx (PWM1 mod), u suprotnom pada na nizak nivo.

Center-aligned PWM

• Slično onome što se kod MSP-a zove phase-correct PWM mod.

• Brojač radi u up/down modu, OCxM je PWM1.

MBED Klasa PwmOut

MBEDTemplate: Output a pwm signal

MBEDTemplate: Output a pwm signal

• Na kom pinu se generiše PWM signal?

• Kako da proverimo da li je generisanje ispravno?

Na kojim to pinovima može da se generiše PWM

MBEDDigitalni izlazi sa mogućnošću

generisanja PWM signala

• Pristup preko MBED biblioteke je brutalno jednostavan i intuitivan.

#include "mbed.h" PwmOut led(LED2); int main() {

while(1) { for(float p = 0.0f; p < 1.0f; p += 0.1f) {

led = p; wait(0.1); }

} }

Zadatak

• Generisati PWM izlaz na pinu LED-a.

• Obezbediti da se na pritisak tastera (USER BUTTON) inkrementira duty ratio za 10% pri svakom pritisku.

STM CUBEProjekat TIM_PWMOutput

• Generisanje PWM signala na 4 OC kanala sa različitim duty cycle-om.

Struktura TIM_OC_InitTypeDef

Što se u suštini svodi na ovo

Podešavanje svakog OC kanala

Startovanje OC kanala

A šta je sa low level inicijalizacijom?

MCU Datasheet

Kako da vidimo generisane signale?

• Simulator

– Za sada ne postoji potpun simulator zaSTM32L476RG

• Osciloskop

• Logički analizator

• Vratimo nazad na naš mikrokontroler?

Zadatak za vežbu

• Izmeniti PWMOutput projekat tako da se Capture na kanalu jedan startuje sa dozvoljenim prekidom. U prekidnoj rutini CC1 treba toggle-ovati diodu.

• Voditi računa– TIM1 ima više IRQ Handler-a, izabrati odgovarajući– Dozvoliti prekide u MspInit() funkciji– U stm32xxxx_it.h i _it.c fajlu definisati potrebnu IRQ

handler funkciju– Startovati kanal 1 sa Start_IT– Proveriti koji interapt Flag se onda enable-uje– Naći koja se callback funkcija poziva i prepisati je u main.c

fajlu da poziva BSP_LED_Toggle(LED2)

STM CUBEProjekat TIM_PWmInput

• Merenje karakteristika PWM signala (frekvencija i faktor ispunjenosti) uz pomoć tajmera

PWM input capture

PWM input capture

IC2 signal se koristi i za resetovanje tajmera...

Prametri za IC

Koje su vrednosti za Polarity i ICSelection za

CH1, a koje za CH2?

Podešavanje svakog kanala

Posebna podešavanja za PWM inputSlave mode

CH2 IC treba da resetuje tajmer

Slave mode konfiguracija

I na kraju to sve treba startovati

Zadatak

• Jedan kontroler izvršava projekat PWMOutput, a druga grupa izvršava projekat PWMInput

• Povezati dva kontrola pomoću dva provodnika – masa i signal.

• Pitanje: Gde se računaju parametri ulaznog PWM signala?• Da li će projekat PMWInput korektno da radi ako se CH1

inicijalizuje bez prekidne funcije tj. sa: HAL_TIM_IC_Start(&TimHandle, TIM_CHANNEL_1)?

KEIL 0svežava promenljive u realnom vremenu

One pulse mod

Zgodan za generisanje precizno pozicioniranihimpulsa.

Encoder interface

Povezivanje kvadraturnogenkodera na kanalima 1 i 2 u svim modovima brojanja: x1, x2, x4.

Encoder i MBED????

• Osnovna MBED biblioteka ne definiše klasu za encoder interfejs, ali postoje projekti i biblioteke u pokviru MBED baze. Doduše za LPC1768...

Systick tajmer

• Fleksibilni sistemski tajmer

• Sastavni deo procesorskog CORTEX-M4 jezgra.

• 24-bit auto-reload brojač na dole sa posebnim prekidom.

• 2 konfigurabilna izvora takta

• Pogodan za realizaciju real-time operativnih sistema.

• U STM32L4x5/6 seriji takt za ovu periferiju može bili ili CPU takt ili CPU/8 takt. Ovo se konfiguriše u RCC grupi registara.

• S obzirom da je deo procesorskog jezgra definicije funkcija koje konfigurišu rad časovnika se nalaze u okviru core_cm4.h fajla koji obezbeđuje ARM.

• Neke od high level funkcija može da obezbedi i proizvođač mikrokontrolera i one se nalaze u okviru peripheral drajver biblioteke i to u sastavu misc.h fajla.

Systick timer

Sistemski časovnikhttp://mbed.org/handbook/Ticker

• Klasa Ticker daje jednostavan način realizacije periodičnog poziva korisničke funkcije, što praktično predstavlja sistemski časovnik.

MBED

Ticker - primer programa

#include "mbed.h"Ticker flipper;DigitalOut myled(LED1);

void flip() { myled = !myled;

}

int main() { myled = 1; flipper.attach(&flip, 0.5); // the address of the function to be attached (flip)

//and the interval (0.5 seconds)// spin in a main loop. flipper will interrupt it to call flip

while(1) ;}

Povezivanje sa funkcijom članicom neke klase

#include "mbed.h"

// A class for flip()-ing a DigitalOut

class Flipper {

public:

Flipper(PinName pin) : _pin(pin) {

_pin = 0;

}

void flip() {

_pin = !_pin;

}

private:

DigitalOut _pin;

};

Flipper f(LED1);

Ticker t;

int main() {

t.attach(&f, &Flipper::flip, 0.5); // the address of the object, member function, and interval

// spin in a main loop. flipper will interrupt it to call flip

while(1);

}

STM CUBEProjekat CORTEXM_SysTick

Naizmenična promena stanja dioda sa promenljivim intervalima čekanja

Delay() funkcija ne imlementira čekanje kao dummy petlju, ali je ipak čekanje u mestu.

\\stm32cubel4\STM32Cube_FW_L4_V1.4.0\Projects\STM32L476RG-Nucleo\Examples\Cortex\CORTEXM_SysTick\MDK-ARM

Realizacija preko prekida

Jedna od osnovnih HAL drajver funkcija

Prekidna rutina Systic_Handler() realizuje odbrojavanje vremena pozivom HAL funkcije

Inicijalizacija Systick tajmera

Zadatak

• Izmeniti program tako da se prekid sistemskog tajmera generiše sa učestanošću od 500Hz.

• Dakle u pitanju je perioda od 2ms. Gde je najjednostavnije izvršiti izmenu?

Klasa Timeouthttp://mbed.org/handbook/Timeout

• Klasa Timeout se koristi kada je potrebno generisati akciju nakon isteka određenog vremena.

• Praktično ima isti interfejs kao klasa Ticker, ali se izvršava samo jedan interval.

Timeout

#include "mbed.h"

Timeout flipper;

DigitalOut led1(LED1);

void flip() {

led1 = !led1;

}

int main() {

led1 = 1;

flipper.attach(&flip, 2.0); // setup flipper to call flip after 2 seconds

// spin in a main loop. flipper will interrupt it to call flip

while(1);

}

Klasa Timer – merenje vremenahttp://mbed.org/handbook/Timer

• Klasa koja može da se koristi prilikom testiranja za merenje vremena.

#include "mbed.h"

Timer t;

int main() {

t.start();

printf("Hello World!\n");

t.stop();

printf("The time taken was %f seconds\n", t.read());

}

Real Time Clock - RTC

• Real-time clock (RTC) je nezavisni BCD tajmer, tj. brojač. RTC obezbeđuje realno vreme vezano za dan, mesec, godinu kao i podesive alarme vezane za datum i vreme.

• Dva 32-bitna registra sadrže informaciju o realnom vremenu i to u trenutnim sekundama, minutima, satima, danima (u nedelji), datumu (dan, mesec, godina). Podaci su predstavljeni u BCD formatu.

• Dok god je napajanje u nominalnom opsegu RTC nikada ne prestaje da radi, nevezano za trenutno stanje uređaja (aktivno, low-power, ili pod resetom).

RTC

• Dva alarma

• Tri tamper događaja

Sat realnog vremena – RTC

• Za podršku su kreirane MBED funkcije, ali ne postoji klasa RTC. Funkcije su deklarisane u time.h i rtc_time.h.

time Implementation of the C time.h functionsFUNCTIONS

time Get the current time

set_time Set the current time

mktime Converts a tm structure in to a timestamp

localtime Converts a timestamp in to a tm structure

ctime Converts a timestamp to a human-readable string

strftime Converts a tm structure to a custom format human-readable string

RTC

#include "mbed.h"

int main() {

set_time(1256729737); // Set RTC time to Wed, 28 Oct 2009 11:35:37

while(1) {

time_t seconds = time(NULL);

printf("Time as seconds since January 1, 1970 = %d\n", seconds);

printf("Time as a basic string = %s", ctime(&seconds));

char buffer[32];

strftime(buffer, 32, "%I:%M %p\n", localtime(&seconds));

printf("Time as a custom formatted string = %s", buffer);

wait(1);

}

}

TIM1– Advanced control timer

Opšta šema tajmera

Pored osobina tajmera opšte namene poseduje sledeće specifičnosti:

•Komplementarni izlazi sa programabilnim mrtvim vremenom.•Break signal koji jednovremeno deaktivira sve izlaze.•Brojač ponavljanja koji obezbeđuje ažuriranje tajmerskih registara tek posle određenog broja ciklusa.•Interfejs prema trofaznomhall-effect senzoru.

Izlazni stepen Output Capture jedinice – Kanali 1,2,3

TIM1 - Kanal 4

• Kanal 4 je pojednostavljene strukture jer se TIM1 obično koristi u trofaznim PWM generatorima u kojima se sedmi kanal koristi uglavnom za potrebe “kočenja”.

Tajmeri TIM15, TIM16, TIM17

• 16-bitni brojač na gore.

• 16-bitni preskaler za ulazni takt

• 1 (tim15) ili 2 (tim16, tim17) nezavisna kanala koji mogu da rade u izlaznom (output comapre), ulazno (input capture), PWM ili pojedinačnom impulsnom modu.

• Mogućnost sinhronizacije sa ostalim tajmerima.

• Prekid zahtev za sledeće događaje:

– Input capture

– Output compare

– Reload tajmera, inicijalizacija (softverska ili spoljašnja)

• Podržan je DMA prenos

• Uvek postoji jedan komplementarni izlaz.

• Brojač ponavljanja.

TIM15

TIM16, TIM17

Osnovni tajmeri (Basic Timer)TIM6 i TIM7

• 16-bitni brojač na gore.

• 16-bitni preskaler za ulazni takt.

• Mogućnost startovanja DAC-a.

• Prekid i DMA zahtev overflow događaj.

• Podržan je DMA prenos.

• Uvek postoji jedan komplementarni izlaz.

• Brojač ponavljanja.